RU2812935C1 - METHOD FOR MICROPLASMA SPRAYING OF WEAR-RESISTANT COATINGS BASED ON CLAD POWDERS OF Ti/TiB2 SYSTEM - Google Patents
METHOD FOR MICROPLASMA SPRAYING OF WEAR-RESISTANT COATINGS BASED ON CLAD POWDERS OF Ti/TiB2 SYSTEM Download PDFInfo
- Publication number
- RU2812935C1 RU2812935C1 RU2023109205A RU2023109205A RU2812935C1 RU 2812935 C1 RU2812935 C1 RU 2812935C1 RU 2023109205 A RU2023109205 A RU 2023109205A RU 2023109205 A RU2023109205 A RU 2023109205A RU 2812935 C1 RU2812935 C1 RU 2812935C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- powder
- clad
- wear
- titanium diboride
- Prior art date
Links
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims abstract description 62
- QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N B#[Ti]#B Chemical compound B#[Ti]#B QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 37
- 229910033181 TiB2 Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 37
- 238000005507 spraying Methods 0.000 title claims abstract description 31
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 29
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 44
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 42
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 40
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 24
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 20
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000011630 iodine Substances 0.000 claims abstract description 11
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000005422 blasting Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 9
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 5
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 abstract description 9
- 239000010959 steel Substances 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 28
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 24
- 239000000463 material Substances 0.000 description 15
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 13
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 5
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 4
- 244000309464 bull Species 0.000 description 3
- 239000011258 core-shell material Substances 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 3
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 3
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000531 Co alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 2
- 239000000320 mechanical mixture Substances 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 238000004157 plasmatron Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 238000002490 spark plasma sintering Methods 0.000 description 2
- 101001123530 Nicotiana tabacum Putrescine N-methyltransferase 3 Proteins 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000001513 hot isostatic pressing Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 238000005551 mechanical alloying Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 description 1
- NMJKIRUDPFBRHW-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti].[Ti] NMJKIRUDPFBRHW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical compound C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности, к микроплазменному напылению износостойких покрытий на основе плакированных порошков системы Ti/TiB2. Современный уровень требований к конструкционным материалам в промышленных отраслях постоянно растет, что говорит о необходимости разработки новых материалов с улучшенным комплексом характеристик, таких как твердость, износостойкость, пористость, коррозионная стойкость, жаропрочность и т.п. The invention relates to the field of powder metallurgy, in particular to microplasma spraying of wear-resistant coatings based on clad powders of the Ti/TiB 2 system. The current level of requirements for structural materials in industrial sectors is constantly growing, which indicates the need to develop new materials with an improved set of characteristics, such as hardness, wear resistance, porosity, corrosion resistance, heat resistance, etc.
Титан по сравнению с другими конструкционными металлами достаточно активно применяется в авиастроении, ракетостроении, космической технике, судостроении, машиностроении, нефтегазовой промышленности, автомобилестроении, медицине за счет сочетания таких свойств, как легкость, прочность, коррозионная стойкость, немагнитность. К недостаткам титана, ограничивающим его применение, можно отнести низкие показатели твердости/износостойкости и высокую пористость. Эффективным способом повышения этих свойств может стать создание композиционных материалов на основе титана и высокотвердой керамики. Бориды переходных металлов, такие как TiB2, относящиеся к классу ультравысокотвердой керамики и обладающие высокими жаропрочностью, износостойкостью, коррозионной стойкостью, имеют близкую к титану плотность и коэффициент термического расширения, а также обладают хорошим кристаллографическим сопряжением с титановой матрицей, обеспечивая тем самым высокое сродство материалов и минимальные остаточные напряжения [1].Titanium, compared to other structural metals, is quite actively used in aircraft manufacturing, rocketry, space technology, shipbuilding, mechanical engineering, oil and gas industry, automotive industry, and medicine due to a combination of properties such as lightness, strength, corrosion resistance, and non-magneticity. The disadvantages of titanium that limit its use include low hardness/wear resistance and high porosity. An effective way to increase these properties can be the creation of composite materials based on titanium and high-hard ceramics. Transition metal borides, such as TiB 2 , belong to the class of ultra-high-hard ceramics and have high heat resistance, wear resistance, corrosion resistance, have a density and thermal expansion coefficient close to titanium, and also have good crystallographic conjugation with the titanium matrix, thereby ensuring high affinity of materials and minimum residual stresses [1].
Известен способ получения композиционного материала Ti/TiB (патент RU 2711699, С22С 29/14, B22F 3/14, B22F 3/18, B22F 3/087) [2].There is a known method for producing Ti/TiB composite material (patent RU 2711699, C22C 29/14, B22F 3/14, B22F 3/18, B22F 3/087) [2].
Способ включает перемешивание порошка титана со средним размером частиц 15-35 мкм и порошка диборида титана, средний размер частиц которого равен 2,5-5,5 мкм, в дисковой вибрационной мельнице при частоте вращения ротора 700 об/мин в течение 60 минут в среде этилового спирта с охлаждением, и последующий синтез композиционного материала путем искрового плазменного спекания (ИПС) при температуре 1000°С, давлении 40 МПа, в течение 15 мин. Перемешивание порошков титана и диборида титана проводят в течение 30-60 минут, при этом при перемешивании в течение 50-60 минут размольную гарнитуру охлаждают жидким азотом. Полученные после ИПС заготовки синтезированного композиционного материала подвергают деформационно-термической обработке путем горячей листовой прокатки на двухвалковом прокатном стане на накопленную степень деформации 50% с обжатием на один проход 200 мкм при температуре от 900 до 1000°С. Обеспечивается получение композиционного материала Ti/TiB с значениями микротвердости 640-720HV и пластичности 5%.The method involves mixing titanium powder with an average particle size of 15-35 microns and titanium diboride powder, the average particle size of which is 2.5-5.5 microns, in a disk vibration mill at a rotor speed of 700 rpm for 60 minutes in an environment ethyl alcohol with cooling, and subsequent synthesis of the composite material by spark plasma sintering (SPS) at a temperature of 1000°C, a pressure of 40 MPa, for 15 minutes. Mixing of titanium and titanium diboride powders is carried out for 30-60 minutes, while while stirring for 50-60 minutes, the grinding set is cooled with liquid nitrogen. The synthesized composite material blanks obtained after IPS are subjected to deformation-thermal treatment by hot sheet rolling on a two-roll rolling mill to an accumulated degree of deformation of 50% with compression per pass of 200 μm at a temperature from 900 to 1000°C. It is possible to obtain a Ti/TiB composite material with microhardness values of 640-720HV and ductility of 5%.
Недостатком известного способа является получение композиционного материала, имеющего недостаточный для повсеместного применения в современных промышленных отраслях машиностроения уровень значений микротвердости (680 HV), что оказывает прямое влияние на снижение износостойкости. Также к недостатку можно отнести ограничение габаритов и формы изготавливаемого изделия при использовании метода ИПС, невозможность формировать функциональные покрытия из композиционного материала.The disadvantage of this known method is the production of a composite material that has a level of microhardness values (680 HV) that is insufficient for widespread use in modern industrial branches of mechanical engineering, which has a direct effect on reducing wear resistance. Another disadvantage is the limitation of the dimensions and shape of the manufactured product when using the SPS method, and the inability to form functional coatings from a composite material.
Известен способ получения наноструктурного композиционного материала на основе чистого титана (RU 2492256, С22С 1/05, С22С 14/00, B22F 3/14, B82Y 30/00) [3].There is a known method for producing a nanostructured composite material based on pure titanium (RU 2492256, C22C 1/05, C22C 14/00, B22F 3/14, B82Y 30/00) [3].
Способ заключается в получении материала путем механического легирования в шаровой планетарной мельнице в среде защитного газа смеси порошка чистого титана с размером частиц 40-200 мкм и последующего горячего изостатического прессования. Композиционный наноструктурный материал на основе чистого титана содержит матрицу из чистого титана с размером зерна<250 нм, дисперсно-упрочненную термически стабильными и химически устойчивыми по отношению к титану наноразмерными частицами карбида, борида или нитрида титана с размером частиц 2-10 нм. Упрочняющие частицы равномерно распределены в объеме материала, а их общая доля в объеме материала составляет 0,05-0,50 об. %. Обеспечивается повышение прочностных свойств материала за счет роста уровня условного предела текучести, предела прочности на растяжение и сопротивления усталости и биологической совместимости материала.The method consists in obtaining the material by mechanical alloying in a planetary ball mill in a protective gas environment of a mixture of pure titanium powder with a particle size of 40-200 microns and subsequent hot isostatic pressing. A composite nanostructured material based on pure titanium contains a matrix of pure titanium with a grain size of <250 nm, dispersion-strengthened with thermally stable and chemically stable nanosized particles of titanium carbide, boride or nitride with a particle size of 2-10 nm. Strengthening particles are evenly distributed in the volume of the material, and their total share in the volume of the material is 0.05-0.50 vol. %. An increase in the strength properties of the material is ensured due to an increase in the level of conditional yield strength, tensile strength and fatigue resistance and biological compatibility of the material.
Недостатками известного способа являются низкое содержание диборида титана (от общей доли в объеме материала 0,05-0,50 об. %.), что незначительно влияет на повышение твердости. Также недостатком является отсутствие возможности напыления покрытий плазменным методом на основе сформированных порошков.The disadvantages of this known method are the low content of titanium diboride (from the total share in the volume of the material 0.05-0.50 vol.%), which has little effect on the increase in hardness. Another disadvantage is the inability to spray coatings using the plasma method based on formed powders.
Опыт применения ремонтных технологий к ряду ответственных деталей различных габаритных размеров позволил сосредоточиться на газотермическом напылении, как на наиболее встраиваемом в общий технологический процесс ремонта и отвечающий требованиям износостойкости и эксплуатационной надежности восстановленных поверхностей [4]. К одному из перспективных методов газотермического напыления можно отнести микроплазменное напыление [5]. Микроплазменное напыление подразумевает нанесение покрытий при помощи плазменной дуги низкого тока в качестве источника нагрева, частичного или полного расплавления, ускорения и транспортировки частиц порошка на поверхность изделия.The experience of applying repair technologies to a number of critical parts of various dimensions allowed us to focus on thermal spraying, as the most integrated into the overall repair process and meeting the requirements for wear resistance and operational reliability of restored surfaces [4]. One of the promising methods of gas-thermal spraying is microplasma spraying [5]. Microplasma spraying involves applying coatings using a low current plasma arc as a heating source, partially or completely melting, accelerating and transporting powder particles to the surface of the product.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ нанесения износостойкого покрытия (RU 2578872, С23С 4/10, С23С 14/06, С23С 4/06) [6], который выбран в качестве прототипа.The closest in technical essence and achieved result to the proposed invention is the method of applying a wear-resistant coating (RU 2578872, С23С 4/10, С23С 14/06, С23С 4/06) [6], which was chosen as a prototype.
Способ нанесения износостойкого покрытия на стальную поверхность включает очистку поверхности, получение дисперсной порошковой смеси самофлюсующегося сплава и диборида титана, введение в плазменную струю смеси и ее напыление с последующим оплавлением поверхности покрытия. Очистку поверхности осуществляют путем полировки, а в качестве самофлюсующегося сплава используют сплав кобальта, предварительно механически легированный порошком алюминия с размером частиц менее 1 мкм, при этом исходные компоненты смеси взяты в следующем соотношении, мас.%: сплав кобальта 34,0-59,5; алюминий 6,0-10,5; диборид титана 30,0-60,0. Повышается микротвердость и износостойкость покрытия, а также качество покрытия за счет снижения пористости основного слоя.A method for applying a wear-resistant coating to a steel surface includes cleaning the surface, obtaining a dispersed powder mixture of a self-fluxing alloy and titanium diboride, introducing the mixture into a plasma jet and spraying it, followed by melting the coating surface. The surface is cleaned by polishing, and a cobalt alloy is used as a self-fluxing alloy, previously mechanically alloyed with aluminum powder with a particle size of less than 1 micron, with the initial components of the mixture taken in the following ratio, wt.%: cobalt alloy 34.0-59.5 ; aluminum 6.0-10.5; titanium diboride 30.0-60.0. The microhardness and wear resistance of the coating are increased, as well as the quality of the coating by reducing the porosity of the base layer.
Недостатками полученного покрытия являются низкие значения микротвердости относительно микротвердости покрытий у предлагаемого способа. Максимальное значение в прототипе составляет 473 HV. Низкая микротвердость также говорит о более низкой износостойкости покрытия относительно предлагаемого способа.The disadvantages of the resulting coating are the low microhardness values relative to the microhardness of the coatings of the proposed method. The maximum value in the prototype is 473 HV. Low microhardness also indicates lower wear resistance of the coating relative to the proposed method.
Техническим результатом настоящего изобретения является способ микроплазменного напыления износостойких композиционных покрытий на основе плакированных порошков системы Ti/TiB2. В результате микроплазменного напыления формируются покрытия с интегральной твердостью до 1200 HV, весовым износом в 1,4 раза ниже весового износа стального образца и пористостью до 14,1%.The technical result of the present invention is a method for microplasma spraying of wear-resistant composite coatings based on clad powders of the Ti/TiB 2 system. As a result of microplasma spraying, coatings are formed with an integral hardness of up to 1200 HV, weight wear 1.4 times lower than the weight wear of a steel sample and porosity up to 14.1%.
Технический результат достигается за счет способа реализации микроплазменного напыления износостойких композиционных покрытий на основе плакированных порошков системы Ti/TiB2, включающего формирование дисперсной порошковой смеси титана с диборидом титана, в которую диборид титана вводится в виде мелкодисперсного порошка фракции 0,5-4 мкм в масс, соотношении 49-51% к порошку титана фракцией от 10 до 40 мкм. Исходные порошки подвергается гомогенизации в течение одного часа для равномерного распределения компонентов перед процессом синтеза. Йодотранспортный синтез гомогенизированной порошковой смеси титана и диборида титана проводят в установке для плакирования с выдержкой в течение 170-190 минут при температуре 690-710°С. В качестве агента для газотранспорта используют йод. После чего проводится микроплазменное напыление синтезированных порошков с использованием установки газотермического напыления при напряжении от 30 до 38 В, силе тока от 32 до 40 А и расходе транспортирующего газа 1,8-2,2 л/мин, которое подразумевает ввод в плазменную струю порошкового материала и его перенос на подложку с образованием композиционного покрытия. Перед напылением поверхность подложки отчищают дробеструйной обработкой и спиртом.The technical result is achieved through a method for implementing microplasma spraying of wear-resistant composite coatings based on clad powders of the Ti/TiB 2 system, including the formation of a dispersed powder mixture of titanium with titanium diboride, into which titanium diboride is introduced in the form of a fine powder of a fraction of 0.5-4 microns in mass , a ratio of 49-51% to titanium powder with a fraction of 10 to 40 microns. The starting powders are homogenized for one hour to ensure uniform distribution of the components before the synthesis process. Iodine transport synthesis of a homogenized powder mixture of titanium and titanium diboride is carried out in a cladding installation with exposure for 170-190 minutes at a temperature of 690-710°C. Iodine is used as an agent for gas transport. After this, microplasma spraying of the synthesized powders is carried out using a gas-thermal spraying installation at a voltage from 30 to 38 V, a current from 32 to 40 A and a transport gas flow rate of 1.8-2.2 l/min, which involves introducing powder material into the plasma jet and its transfer to the substrate to form a composite coating. Before spraying, the surface of the substrate is cleaned by shot blasting and alcohol.
Для эффективного достижения технического результата порошок диборида титана, размер частиц которого находится в диапазоне от 0,5 до 4 мкм, вводится в масс, соотношении 49-51% к порошку титана, размером частиц от 10 до 40 мкм. При использовании заявленных режимов синтеза и размера порошков формируются плакированные частицы композиционного порошка типа «ядро-оболочка». В качестве «ядра» выступают частицы диборида титана, на которые осаждается порошок титана посредством газотранспортного переноса, в качестве агента газотранспорта выступает йод. Использование равного количества исходных компонентов в массовом соотношении обусловлено достаточным количеством титана для формирования плакированных частиц нужной фракции. Частицы диборида титана, которые не вошли в реакцию с титаном, отсеиваются перед напылением. При снижении содержания частиц диборида титана ниже 50% (масс.) будет увеличиваться толщина плакирующего слоя, из-за чего твердость напыляемых покрытий будет снижаться. При использовании большего количества диборида титана, чем 50% (масс), толщина плакирующего слоя будет ниже, что уменьшит количество порошка, который будет формировать покрытие при микроплазменном напылении, так как титан выступает в роли пластификатора для керамических частиц и обеспечивает технологичность процесса. При использовании диборида титана фракцией меньшей чем 0,5-4 мкм заявленный эффект физико-механических свойств не достигается, при большей - наблюдается охрупчивание покрытия. При использовании порошка титана фракции меньше 10 мкм заявленные значения физико-механических свойств покрытий не достигаются. Использование порошка титана фракции больше 40 мкм приводит к забиванию плазматрона в процессе микроплазменного напыления.To effectively achieve the technical result, titanium diboride powder, the particle size of which is in the range from 0.5 to 4 microns, is introduced in a mass ratio of 49-51% to titanium powder, particle size from 10 to 40 microns. When using the stated synthesis modes and powder sizes, clad particles of a core-shell composite powder are formed. The “core” is titanium diboride particles, onto which titanium powder is deposited through gas transport; iodine acts as a gas transport agent. The use of an equal amount of initial components in a mass ratio is due to a sufficient amount of titanium to form clad particles of the desired fraction. Particles of titanium diboride that have not reacted with titanium are screened out before spraying. When the content of titanium diboride particles decreases below 50% (wt.), the thickness of the cladding layer will increase, due to which the hardness of the sprayed coatings will decrease. When using more titanium diboride than 50% (mass), the thickness of the cladding layer will be lower, which will reduce the amount of powder that will form the coating during microplasma spraying, since titanium acts as a plasticizer for ceramic particles and ensures manufacturability of the process. When using titanium diboride with a fraction less than 0.5-4 microns, the declared effect of physical and mechanical properties is not achieved; with a larger fraction, embrittlement of the coating is observed. When using titanium powder of a fraction less than 10 microns, the declared values of the physical and mechanical properties of coatings are not achieved. The use of titanium powder of a fraction larger than 40 microns leads to clogging of the plasmatron during the microplasma spraying process.
Процесс синтеза на установке плакирования протекает в течение 170-190 минут при температуре 690-710°С. При недостаточном времени выдержки (менее 2 часов 50 минут) часть порошка титана не успевает транспортироваться на поверхность диборида титана, что влияет на снижение доли плакированных частиц от общей массы порошка. Использование большего времени выдержки (более 3 часов 10 минут) нецелесообразно, так как титан успевает покрыть керамические частицы за используемый отрезок времени, поэтому дальнейшая выдержка приведет к повышению себестоимости плакированного порошка за счет увеличения трат электроэнергии. Температура выше 710°С влечет спекание порошковой смеси в реакторе, что нарушает морфологию синтезируемых частиц. При использовании температуры ниже 690°С процесс протекает значительно медленнее, либо переход титана в газовую фазу вовсе отсутствует.The synthesis process in the cladding installation takes place for 170-190 minutes at a temperature of 690-710°C. If the holding time is insufficient (less than 2 hours 50 minutes), part of the titanium powder does not have time to be transported to the surface of titanium diboride, which affects the reduction in the proportion of clad particles from the total mass of the powder. Using a longer exposure time (more than 3 hours 10 minutes) is impractical, since titanium manages to coat the ceramic particles during the period of time used, so further exposure will lead to an increase in the cost of the clad powder due to increased energy consumption. Temperatures above 710°C entail sintering of the powder mixture in the reactor, which disrupts the morphology of the synthesized particles. When using temperatures below 690°C, the process proceeds much more slowly, or there is no transition of titanium into the gas phase at all.
Режимы микроплазменного напыления варьируются по напряжению, силе тока и расходу транспортирующего газа. Значения напряжения должны находиться в диапазоне от 30 до 38 В, силы тока - от 32 до 40 А. При напылении с меньшими значениями напряжения и силы тока, за счет кратковременного температурного воздействия на частицы композиционного порошка переносится недостаточное количество тепловой энергии, в результате чего плакирующий слой титана не успевает подплавлиться плазменной струей, что снижает способность сцепления подплавленного порошка с подложкой. При превышении мощностей рекомендуемых режимов происходит выгорание и окисление плакирующего слоя титана на порошке в плазменной струе, залипание продуктов сгорания и порошка в проходных узлах плазмотрона, что делает процесс напыления невозможным. Расход транспортирующего газа для напыления составляет 1,8-2,2 л/мин. При уменьшении значений расхода транспортирующего газа скорость нанесения покрытий сильно уменьшается, частицы порошка проплавляются, находясь внутри каналов плазмотрона, в результате внутренние каналы забиваются и процесс напыление становится невозможным. При больших значениях расхода транспортирующего газа композиционный порошок находится слишком короткое время в среде плазменной струи и не успевает подплавиться до необходимого состояния, для образования высокой адгезионной прочности с материалом подложки.Microplasma spraying modes vary in voltage, current and transport gas flow. Voltage values should be in the range from 30 to 38 V, current - from 32 to 40 A. When spraying with lower voltage and current values, due to short-term temperature effects on the particles of the composite powder, an insufficient amount of thermal energy is transferred, as a result of which the cladding The titanium layer does not have time to be melted by the plasma jet, which reduces the ability of the melted powder to adhere to the substrate. When the power of the recommended modes is exceeded, burnout and oxidation of the titanium cladding layer on the powder in the plasma jet occurs, combustion products and powder stick in the passage units of the plasmatron, which makes the spraying process impossible. The consumption of transport gas for spraying is 1.8-2.2 l/min. When the transport gas flow rate decreases, the coating deposition rate decreases greatly, the powder particles melt while inside the plasma torch channels, as a result, the internal channels become clogged and the spraying process becomes impossible. At high flow rates of the transport gas, the composite powder is in the plasma jet environment for too short a time and does not have time to melt to the required state to form high adhesive strength with the substrate material.
Практическая реализация предлагаемого технического решения выполнялась по следующей разработанной схеме:The practical implementation of the proposed technical solution was carried out according to the following developed scheme:
- Составление механической смеси на основе порошков титана и диборида титана, с массовым содержанием диборида титана 50% (масс.);- Preparation of a mechanical mixture based on titanium and titanium diboride powders, with a mass content of titanium diboride of 50% (wt);
- Гомогенизация механической смеси в лабораторном смесителе в течение одного часа для равномерного распределения компонентов;- Homogenization of the mechanical mixture in a laboratory mixer for one hour to ensure uniform distribution of components;
- Йодотранспортный синтез порошковой смеси титана и диборида титана в течение 3 часов при температуре 700°С с формированием частиц типа «ядро-оболочка»;- Iodine transport synthesis of a powder mixture of titanium and titanium diboride for 3 hours at a temperature of 700°C with the formation of core-shell particles;
- Подготовка материала подложки посредством очистки поверхности дробеструйной обработкой и спиртом;- Preparation of the substrate material by cleaning the surface with shot blasting and alcohol;
- Напыление износостойких покрытий микроплазменным методом с использованием композиционного порошка системы «титан/диборид титана»;- Spraying of wear-resistant coatings using the microplasma method using composite powder of the titanium/titanium diboride system;
- Исследование морфологии, посредством растрового электронного микроскопа (РЭМ), твердости, пористости и износостойкости напыленных покрытий.- Study of the morphology, using a scanning electron microscope (SEM), hardness, porosity and wear resistance of sprayed coatings.
Изобретения иллюстрируются следующими материалами:The inventions are illustrated by the following materials:
Фиг. 1 - РЭМ изображение поперечного микрошлифа частицы порошка плакированной конфигурации системы «титан/диборид титана», синтезированного йодотранспортным методом. На фиг. 1 представлена микроструктура синтезированного плакированного порошка с частицами типа «ядро-оболочка». Более светлые участки соответствуют областям обнаружения титана, а более темные - частицам диборида титана, которые выступают в качестве «ядра».Fig. 1 - SEM image of a transverse microsection of a powder particle of a clad configuration of the titanium/titanium diboride system, synthesized by the iodine transport method. In fig. Figure 1 shows the microstructure of the synthesized clad powder with core-shell particles. The lighter areas correspond to titanium detection areas, and the darker areas correspond to titanium diboride particles that act as the “core”.
Фиг. 2 - РЭМ изображение поперечного микрошлифа характерной микроструктуры покрытия из плакированного порошка системы «титан/диборид титана», напыленного микроплазменным методом: а) -увеличение ×300; б) - увеличение ×3600. На фиг. 2 представлена микроструктура покрытия, напыленного из композиционного порошка системы Ti/TiB2 при увеличении ×300 (фиг. 2 (а)) и ×3600 (фиг. 2 (б)). Можно отметить, что покрытие имеет четкую границу раздела с материалом подложки. Сквозные поры на микрошлифе не наблюдаются. Частицы диборида титана сохраняются в покрытии, о чем свидетельствует наличие темных областей на РЭМ-микрофотографиях фиг. 2, б. Светлому контрасту соответствуют области обнаружения титана и его оксидов.Fig. 2 - SEM image of a transverse microsection of the characteristic microstructure of a coating made of clad powder of the titanium/titanium diboride system, sprayed by the microplasma method: a) - magnification ×300; b) - magnification ×3600. In fig. Figure 2 shows the microstructure of a coating sprayed from a composite powder of the Ti/TiB 2 system at a magnification of ×300 (Fig. 2 (a)) and ×3600 (Fig. 2 (b)). It can be noted that the coating has a clear interface with the substrate material. No through pores are observed on the microsection. Titanium diboride particles are retained in the coating, as evidenced by the presence of dark areas in the SEM micrographs of Fig. 2, b. Light contrast corresponds to the detection area of titanium and its oxides.
Гомогенизация смесей исходных порошков проводилась в лабораторном смесителе Mixer-0,5, что позволяет добиться равномерного распределения компонентов в порошковой смеси.Homogenization of mixtures of initial powders was carried out in a Mixer-0.5 laboratory mixer, which allows achieving uniform distribution of components in the powder mixture.
Йодотранспортный синтез гомогенизированной смеси проводился с использованием кварцевого реактора со средой аргона, который погружался в печь.Iodine transport synthesis of the homogenized mixture was carried out using a quartz reactor with an argon environment, which was immersed in a furnace.
Напыление синтезированных порошков производили на роботизированном комплексе микроплазменного напыления, включающего в себя установку УГНП-7/2250 и робот манипулятор Kawasaki FS003N.Spraying of the synthesized powders was carried out on a robotic microplasma spraying complex, which included a UGNP-7/2250 installation and a Kawasaki FS003N robotic manipulator.
Исследование морфологии микрошлифов композиционных порошков и покрытий проводилось с использованием растрового электронного микроскопа, Tescan Vega3.The study of the morphology of microsections of composite powders and coatings was carried out using a scanning electron microscope, Tescan Vega3.
Микротвердость покрытий исследовалась на микротвердомере ПМТ-3.The microhardness of the coatings was studied using a PMT-3 microhardness tester.
Пористость покрытий определялась на оптическом микроскопе Leica DM-2500 М.The porosity of the coatings was determined using a Leica DM-2500 M optical microscope.
Исследование износостойкости проводилось на машине для испытания материалов на трение 2168 УМТ, с использованием пары образцов, чистого стального из стали марки 45Х и образцов с напыленным на контактную поверхность композиционным покрытием системы Ti/TiB2. Образцы сопрягались по кинематической схеме кольцо-кольцо, при режиме нагружения 0,5 МПа, скорости вращения 100 об/мин, в течение 5 часов.The wear resistance study was carried out on a machine for testing materials for friction 2168 UMT, using a pair of samples, pure steel from steel grade 45X and samples with a composite coating of the Ti/TiB 2 system sprayed onto the contact surface. The samples were mated according to the ring-ring kinematic scheme, under a loading mode of 0.5 MPa, a rotation speed of 100 rpm, for 5 hours.
Примеры конкретного осуществления способа:Examples of specific implementation of the method:
Пример 1. К порошку титана фракцией 10-40 мкм добавляли порошок диборида титана фракцией от 0,5 до 4 мкм в количестве 50% (масс). Порошковая смесь титана и диборида титана подвергалась гомогенизации в течение одного часа, с последующим плакированием частиц йодотранспортным синтезом в течение 3 часов при температуре 700°С.Example 1. To titanium powder with a fraction of 10-40 μm, titanium diboride powder with a fraction of 0.5 to 4 μm was added in an amount of 50% (wt). The powder mixture of titanium and titanium diboride was subjected to homogenization for one hour, followed by cladding of the particles by iodine transport synthesis for 3 hours at a temperature of 700°C.
Напыление покрытий из композиционного порошка плакированной конфигурации производилось при режимах напыления: напряжение - 30 В; сила тока - 32 А; расход транспортирующего газа - 2 л/мин.Spraying of coatings from a composite powder of a clad configuration was carried out under spraying modes: voltage - 30 V; current - 32 A; transport gas consumption - 2 l/min.
В качестве подложки была использована пластина из стали марки 20Х23Н18. Перед напылением подложка подвергалась дробеструйной очистке и обезжириванию спиртом.A steel plate of grade 20Х23Н18 was used as a substrate. Before spraying, the substrate was shot blasted and degreased with alcohol.
В результате было сформировано покрытие толщиной более 60 мкм, твердостью 943 HV, пористостью 14,1%. Весовой износ сформированного покрытия в 1,2 раза ниже весового износа стального образца.As a result, a coating with a thickness of more than 60 microns, a hardness of 943 HV, and a porosity of 14.1% was formed. The weight wear of the formed coating is 1.2 times lower than the weight wear of the steel sample.
Пример 2. К порошку титана фракцией 10-40 мкм добавляли порошок диборида титана фракцией от 0,5 до 4 мкм в количестве 50% (масс.). Порошковая смесь титана и диборида титана подвергалась гомогенизации в течение одного часа, с последующим плакированием частиц йодотранспортным синтезом в течение 3 часов при температуре 700°С.Example 2. To titanium powder with a fraction of 10-40 μm, titanium diboride powder with a fraction of 0.5 to 4 μm was added in an amount of 50% (wt.). The powder mixture of titanium and titanium diboride was subjected to homogenization for one hour, followed by cladding of the particles by iodine transport synthesis for 3 hours at a temperature of 700°C.
Напыление покрытий из композиционного порошка плакированной конфигурации производилось при режимах напыления: напряжение - 38 В; сила тока - 40 А; расход транспортирующего газа - 2 л/мин.Spraying of coatings from a composite powder of a clad configuration was carried out under spraying modes: voltage - 38 V; current strength - 40 A; transport gas consumption - 2 l/min.
В качестве подложки была использована пластина из стали марки 20Х23Н18. Перед напылением подложка подвергалась дробеструйной очистке и обезжириванию спиртом.A steel plate of grade 20Х23Н18 was used as a substrate. Before spraying, the substrate was shot blasted and degreased with alcohol.
В результате было нанесено покрытие толщиной более 60 мкм, твердостью 1213 HV, пористостью 13,7%. Весовой износ сформированного покрытия в 1,4 раза ниже весового износа стального образца.As a result, a coating with a thickness of more than 60 microns, a hardness of 1213 HV, and a porosity of 13.7% was applied. The weight wear of the formed coating is 1.4 times lower than the weight wear of the steel sample.
Источники информации:Information sources:
1. Morsi, К. Processingand properties of titanium-titanium boride (TiBw) matrix composites - a review / K. Morsi,V.V. Patel // J. Mater. Sci. 42 (2007) 2037-2047.1. Morsi, K. Processing and properties of titanium-titanium boride (TiBw) matrix composites - a review / K. Morsi, V.V. Patel // J. Mater. Sci. 42 (2007) 2037-2047.
2. Патент РФ №2711699 описание изобретения к патенту «Способ получения композиционного материала Ti/TiB» / Озеров М.С., Соколовский B.C., Климова М.В., Степанов Н.Д., Жеребцов С.В.; Заявл. 21.08.2019; Опубл. 21.01.2020; Бюл. №3, 9 с.2. RF Patent No. 2711699 description of the invention for the patent “Method for producing Ti/TiB composite material” / Ozerov M.S., Sokolovsky V.S., Klimova M.V., Stepanov N.D., Zherebtsov S.V.; Application 08/21/2019; Publ. 01/21/2020; Bull. No. 3, 9 p.
3. Патент РФ №RU 2492256 описание изобретения к патенту «Наноструктурный композиционный материал на основе чистого титана и способ его получения» / Панин В.И., Панин С.В., Чумаков М.В.; Заявл. 16.05.2012; Опубл. 10.09.2013; Бюл. №25, 2-6 с.3. RF Patent No. RU 2492256 description of the invention for the patent “Nanostructured composite material based on pure titanium and a method for its production” / Panin V.I., Panin S.V., Chumakov M.V.; Application 05/16/2012; Publ. 09/10/2013; Bull. No. 25, 2-6 p.
4. Мордвинкин И.П., Репин Ф.Ф., Глебов В.В. Анализ способов восстановления посадочных мест опор скольжения крупногабаритных валов энергетических установок // Судовая и промышленная энергетика, Вестник Волжского государственного университета водного транспорта, 2009. - с. 72-83.4. Mordvinkin I.P., Repin F.F., Glebov V.V. Analysis of methods for restoring seats for sliding supports of large-sized shafts of power plants // Ship and industrial energy, Bulletin of the Volga State University of Water Transport, 2009. - p. 72-83.
5. Калита В.И., Комлев Д.И. Плазменные покрытия с нанокристаллической и аморфной структурой // Монография, М.: «Лидер М», 2008. - 388 с.5. Kalita V.I., Komlev D.I. Plasma coatings with nanocrystalline and amorphous structure // Monograph, M.: “Leader M”, 2008. - 388 p.
6. Патент РФ №2578872 описание изобретения к патенту «Способ нанесения износостойкого покрытия» / Швейкин Г.П., Руденская Н.А., Фролов В.Я., Руденская М.В., Кузьмин В.И.; Заявл. 24.11.2014; Опубл. 27.03.2016; Бюл. №9, 5 с.6. RF Patent No. 2578872 description of the invention for the patent “Method of applying a wear-resistant coating” / Shveikin G.P., Rudenskaya N.A., Frolov V.Ya., Rudenskaya M.V., Kuzmin V.I.; Application 11/24/2014; Publ. 03/27/2016; Bull. No. 9, 5 pp.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2812935C1 true RU2812935C1 (en) | 2024-02-05 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2527543C1 (en) * | 2013-03-06 | 2014-09-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Nickel-based alloy for application of wear and corrosion resistance by micro plasma or cold supersonic spraying |
| RU2578872C1 (en) * | 2014-11-24 | 2016-03-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт химии твердого тела Уральского Отделения РАН" | Method of wear-resistant coating application |
| RU2583228C1 (en) * | 2014-12-15 | 2016-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный индустриальный университет" | Method for application of wear-resistant coatings based on titanium diboride and nickel on steel surface |
| CN105986219B (en) * | 2016-07-04 | 2019-06-04 | 常州大学 | A kind of process preparing titanium boride coating in metal surface |
| RU2791259C1 (en) * | 2021-12-14 | 2023-03-06 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей") | METHOD FOR GAS-THERMAL SPRAYING OF WEAR-RESISTANT COATINGS BASED ON Ti/TiB2 SYSTEM |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2527543C1 (en) * | 2013-03-06 | 2014-09-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Nickel-based alloy for application of wear and corrosion resistance by micro plasma or cold supersonic spraying |
| RU2578872C1 (en) * | 2014-11-24 | 2016-03-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт химии твердого тела Уральского Отделения РАН" | Method of wear-resistant coating application |
| RU2583228C1 (en) * | 2014-12-15 | 2016-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный индустриальный университет" | Method for application of wear-resistant coatings based on titanium diboride and nickel on steel surface |
| CN105986219B (en) * | 2016-07-04 | 2019-06-04 | 常州大学 | A kind of process preparing titanium boride coating in metal surface |
| RU2791259C1 (en) * | 2021-12-14 | 2023-03-06 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей") | METHOD FOR GAS-THERMAL SPRAYING OF WEAR-RESISTANT COATINGS BASED ON Ti/TiB2 SYSTEM |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Li et al. | Solid-state cold spraying of Ti and its alloys: A literature review | |
| Xie et al. | Al matrix composites fabricated by solid-state cold spray deposition: A critical review | |
| Kim et al. | Superhard nano WC–12% Co coating by cold spray deposition | |
| Yao et al. | Characteristics and performance of hard Ni60 alloy coating produced with supersonic laser deposition technique | |
| JP2004510050A (en) | Thermal coating of piston rings for mechanically alloyed powders. | |
| Ji et al. | Spray forming thick nanostructured and microstructured FeAl deposits | |
| US20090120539A1 (en) | Method of Preparing Metal Matrix Composite and Coating Layer and Bulk Prepared Thereby | |
| CA3108090C (en) | Process and composition for formation of hybrid aluminum composite coating | |
| WO2005079209A2 (en) | Nanocrystalline material layers using cold spray | |
| Tailor et al. | A review on plasma sprayed Al-SiC composite coatings | |
| Feng et al. | Laser cladding of Ni-Cr/Al2O3 composite coatings on AISI 304 stainless steel | |
| JP4282767B2 (en) | Coating powder and method for producing the same | |
| Luo et al. | Micro-nanostructured cermet coatings | |
| Wang et al. | Annealing effect on the intermetallic compound formation of cold sprayed Fe/Al composite coating | |
| Khan et al. | Evaluation of die-soldering and erosion resistance of high velocity oxy-fuel sprayed MoB-based cermet coatings | |
| RU2812935C1 (en) | METHOD FOR MICROPLASMA SPRAYING OF WEAR-RESISTANT COATINGS BASED ON CLAD POWDERS OF Ti/TiB2 SYSTEM | |
| JP2009191327A (en) | Method for strengthening aluminum alloy base material | |
| Dewald et al. | Cubic titanium trialuminide thermal spray coatings—a review | |
| Chesnokov et al. | Effect of the microstructure of cermet powders on the performance characteristics of thermal spray coatings | |
| Kosarev et al. | Production of TiC–Co and TiC–NiCr Composite Powders and Study of Their Interaction with a Target under Cold Spray Conditions | |
| He et al. | Microstructure and wear behaviors of a WC10%-Ni60AA cermet coating synthesized by laser-directed energy deposition | |
| Chen et al. | Effect of Submicron SiC Particles on the Properties of Alcocrfeni High Entropy Alloy Coatings | |
| Debasish et al. | Improvement of microstructural and mechanical properties of plasma sprayed Mo coatings deposited on Al-Si substrates by pre-mixing of Mo with TiN powder | |
| Dahotre et al. | The laser-assisted iron oxide coating of cast Al auto engines | |
| RU2791259C1 (en) | METHOD FOR GAS-THERMAL SPRAYING OF WEAR-RESISTANT COATINGS BASED ON Ti/TiB2 SYSTEM |